KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ * FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
BİYODİZEL ÜRETİM TESİSİ ATIK SULARININ
MEMBRAN FİLTRASYONU
YÜKSEK LİSANS
Çevre Müh. Aynur HACIFETTAHOĞLU
Anabilim Dalı: Çevre Mühendisliği
Danışman: Doç. Dr. Ertan DURMUŞOĞLU
ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR
Günümüzde artan nüfus karşısında daralan ve kirlenen toprak parçası üzerinde daha az yer kaplayan, çıkış suyu kalitesi bakımından oldukça verimli olan ve ekonomik boyutta oldukça avantajlı arıtma prosesleri üzerinde araştırmalar yoğunlaşmıştır. Dünya’da kullanma suyunun sınırlı olduğu yerlerde arıtılmış atık suyun tekrar kullanımı giderek önem kazanmaktadır. Membran teknolojisi, atık suların tekrar kullanımını sağlaması, klasik ayırma metotlarına göre ekonomikliği ve uygulama kolaylığı bakımından son yıllarda ayırma işlemlerinde oldukça fazla uygulama alanı bulmaktadır. Ayrıca konvansiyonel arıtım metodları ile arıtılamayan atık suların membran prosesler ile güvenli bir şekilde arıtılması mümkündür.
Bu çalışmada biyodizel tesisinden çıkan atık suların mikrofiltrasyon membran yöntemi ile arıtılabilirliği araştırılmıştır. Laboratuvar ölçekli mikrofiltrasyon düzeneğinde çeşitli özelliklere sahip membranlarda biyodizel endüstrisi atık suyunun arıtma verimleri incelenmiştir.
Bu çalışmada yardımlarını ve anlayışını esirgemeyen tez danışmanım, Kocaeli Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi Doç. Dr. Ertan Durmuşoğlu’na, bu konunun seçiminde ve laboratuvar ölçekli membran düzeneğinin temininde yardımcı olan Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi Prof. Dr. Bülent Keskinler’e, laboratuvarını kullandığım çalışmakta olduğum Ezici Yağ. San. Biyodizel’e, laboratuvar çalışmamda bana yardım eden mesai arkadaşlarıma teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca her daim bana destek olup anlayış gösteren sevgili eşim ve aileme sonsuz teşekkür ve minnet duygularımı sunmayı bir borç bilirim.
İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR………..i İÇİNDEKİLER………...ii ŞEKİLLER DİZİNİ……….iv FOTOĞRAFLAR DİZİNİ………....v TABLOLAR DİZİNİ………...vi SEMBOLLER………vii ÖZET………..……….ix İNGİLİZCE ÖZET………x 1.GİRİŞ……….1
2.İLERİ ATIK SU ARITIMI………...3
2.1.İleri Arıtma Tanımı……….3
2.2.İleri Atık Su Arıtma İhtiyacı………...4
2.3.İleri Atık Su Arıtımı için Kullanılan Arıtma Teknolojileri……….5
2.3.1.Teknolojilerin sınıflandırılması………...5
2.3.2.Proseslerin arıtma seviyeleri………....6
3.MEMBRAN FİLTRASYONU……….……….7
3.1.Membran Sistemler……….7
3.2.Membran Teknolojilerinin Avantajları ve Dezavantajları………...9
3.3.Membran Ayırma Prosesleri ve Sürücü Kuvvetler………...10
3.4.Membran Sınıflandırması……….10
3.4.1.Kirletici boyutuna bağlı olarak membran çeşitleri………...11
3.4.1.1.Mikrofiltrasyon (MF)………..11
3.4.1.2.Ultrafiltrasyon (UF)………...……….14
3.4.1.3.Nanofiltrasyon (NF)………...……….16
3.4.1.4.Ters osmoz (RO)……….17
3.4.1.5.Elektrodiyaliz (ED)………...19
3.4.2.Ayırma mekanizmasına göre membran çeşitleri………...21
3.4.2.1.Poroz (gözenekli) membranlar………...21
3.4.2.2.Nonporoz (gözeneksiz) veya dense membranlar………...21
3.4.2.3.İyon-değişim membranları………..22
3.4.3.Kimyasal yapılarına göre membran çeşitleri……….23
3.4.3.1.Organik membranlar………...23
3.4.3.1.1.Selüloz asetat (CA) membranlar………..23
3.4.3.1.2.Selüloz tri asetat (CTA) membranlar………...24
3.4.3.1.3.İnce film kompozit (TFC) membranlar………24
3.4.3.1.4.Sülfanatlı polisülfon (SPS) membranlar………..24
3.4.3.1.5.Poliamid (PA) membranlar………..25
3.4.3.2.İnorganik membranlar……….…25
3.4.4.Akış yönüne göre filtrasyon çeşitleri……….26
3.4.4.1.Son (dead-end) veya sıralı (in-line) filtrasyon………...26
3.4.5. Morfolojilerine göre filtrasyon çeşitleri……… 27
3.4.5.1.Simetrik membranlar………...28
3.4.5.1.1.Mikrogözenekli membranlar………...28
3.4.5.1.2.Homojen (yoğun) membranlar………...29
3.4.5.2.Asimetrik membranlar ………...………29
3.4.5.2.1.İntegral asimetrik membranlar………...29
3.4.5.2.2.Kompozit asimetrik membranlar………30
3.5.Arıtmada Kullanılan Membran Konfigurasyonu………...31
3.5.1.Tubuler (borulu) model………...31
3.5.2.Spiral wound (spiral kıvrılmış) model………...32
3.5.3.Hollow fiber (boşluklu elyaf) modüller ………...32
3.5.4.Plate/ frame (plaka/ çerçeve) membran modüller………...33
3.6.Membranları Temizleme Çözeltileri……….34
3.6.1.İnorganik kirleticileri gidermek için kullanılan temizleme çözeltileri……..34
3.6.2.Organik kirleticileri ve biyolojik organizmaları gidermek için kullanılan temizleme çözeltileri……….………36
3.7.Membran Performansını Etkileyen Faktörler…….………...38
4.BİYODİZEL PROSESİ…….………...40
4.1.Bitkisel Kaynaklı Yağlar ve Yağ Asitleri……….40
4.2.Biyodizel………...41
4.3.Biyodizel Elde Etme Yöntemleri………...43
4.3.1.Transesterifikasyon yöntemi………...43
4.3.2.Piroliz yöntemi………..45
4.3.3.Süperkritik yöntemi………...46
4.4.Biyodizel Tesislerinde Atık Su Kaynakları ve Karakterleri….………47
5.MALZEME VE YÖNTEM….………49
5.1.Yağlı Atık Sularda Membran Filtrasyonun Kullanıldığı Literatür Çalışmaları…49 5.2.Arıtılabilirlik Çalışması Yapılan Biyodizel Tesisindeki Atık Su Kaynakları ve Karakterleri………53 5.3.Deney Düzeneği………54 5.4.Membran Modülü……….………56 5.5.Deneysel Yöntem………..58 5.6.Bulgular………...59 SONUÇLAR VE ÖNERİLER………66 KAYNAKLAR………...68 ÖZGEÇMİŞ……….………72
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 3.1. Membran proseslerde geçen ve geçmeyen akımlar………..…8
Şekil 3.2. Çeşitli parametrelere göre membran sınıflandırılması………..…………10
Şekil 3.3. Kirletici boyutuna bağlı olarak membran çeşitleri……….11
Şekil 3.4. Mikrofiltrasyon…….………..12
Şekil 3.5. Elek ve derin membran filtre………...………...13
Şekil 3.6. Elek membran filtrenin üretimi………...………...13
Şekil 3.7. Derin (depth) membran filtrenin üretimi………....14
Şekil 3.8. Ultrafiltrasyon…….………....15
Şekil 3.9. Ters osmoz…...………....18
Şekil 3.10.Elektrodiyaliz membran……….………....20
Şekil 3.11.Poroz (gözenekli) membran………..……….21
Şekil 3.12.Nonporoz (gözeneksiz) membran………..………....22
Şekil 3.13.Son(dead-end) veya sıralı(in-line) filtrasyon…..………...26
Şekil 3.14.Çapraz akışlı (cross-flow) filtrasyon………..………...27
Şekil 3.15.Simetrik ve asimetrik membran filtrasyon çeşitleri………...28
Şekil 3.16.Tubuler (borulu) model………..………....31
Şekil 3.17.Spiral wound (spiral kıvrılmış) model…………...………....32
Şekil 3.18.Hollow fiber (boşluklu elyaf) modüller…………...………..33
Şekil 3.19.Plate/ frame (plaka/ çerçeve) membran modüller…...……...34
Şekil 4.1. Biyodizel üretim denklemi…..………...43
Şekil 4.2. Transesterifikasyon yöntemi ile biyodizel üretim prosesi………...45
Şekil 5.1. Yağlı atık suların UF membran yöntemiyle arıtımının genel şeması…….50
Şekil 5.2. Sartolon poliamid ve selüloz asetat filtrenin basınca karşı KOI giderim verimleri…….……….…………....62
Şekil 5.3. Sartolon poliamid ve selüloz asetat filtrenin basınca karşı BOI giderim verimleri……….……….…....64
Şekil 5.4. Sartolon poliamid ve selüloz asetat filtrenin basınca karşı AKM giderim verimleri……….……….…....65
FOTOĞRAFLAR DİZİNİ
Fotoğraf 5.1.Mikrofiltrasyon deney düzeneği görüntüsü………...55 Fotoğraf 5.2.Mikrofiltrasyon deney düzeneği görüntüsü………...55 Fotoğraf 5.3.Mikrofiltrasyon deney düzeneği görüntüsü………...56 Fotoğraf 5.4.Membran düzeneğinde filtrenin yerleştirildiği alan görüntüsü…....…..57 Fotoğraf 5.5.Membran düzeneğinde filtrenin yerleştirildiği alan görüntüsü………..57 Fotoğraf 5.6.Membran düzeneğe filtre yerleştirildikten sonraki görüntüsü………...58 Fotoğraf 5.7.Membran filtreden atık su geçişinden sonraki görüntüsü…………..…58 Fotoğraf 5.8.KOI ve BOI analizinin yapıldığı spektrofotometrenin görüntüsü.……59
TABLOLAR DİZİNİ
Tablo 2.1. İleri atık su arıtma işlem ve prosesleri ile kirlilik giderimi…...……..……5 Tablo 2.2. İleri atık su arıtımında kullanılan çeşitli temel işlem ve proses
düzenlemeleri ile ulaşılabilecek arıtma seviyeleri………....6 Tablo 3.1. Farklı maddelerin membran yüzeyi temizleme verimliliği………...36 Tablo 4.1. Sulu yıkama yapan biyodizel tesislerinden çıkan atık su numunesinin analiz sonuçları ………..………...47 Tablo 4.2. Kuru yıkama yöntemini kullanan biyodizel tesislerinden çıkan atık su
numunesinin analiz sonuçları……….48 Tablo 5.1. Su kirliliği kontrolü yönetmeliği tablo 5.4.sektör: gıda sanayi (yağlı
tohumlardan yağ çıkarılması ve sıvı yağ rafinasyonu-zeytinyağı hariç….54 Tablo 5.2. Çeşitli basınçlarda ve pH’larda sartolon poliamid (SP) filtre ile yapılan
çalışma sonuçları………60 Tablo 5.3. Çeşitli basınçlarda ve pH’larda selüloz asetat (CA) filtre ile yapılan
çalışma sonuçları………61 Tablo 5.4. Sartolon poliamid (SP) ve selüloz asetat (CA) filtreler ile yapılan çalışma
sonucundaki KOI giderim verimleri………..62 Tablo 5.5. Sartolon poliamid (SP) ve selüloz asetat (CA) filtreler ile yapılan çalışma
sonucundaki BOI giderim verimleri………..63 Tablo 5.6. Sartolon poliamid (SP) ve selüloz asetat (CA) filtreler ile yapılan çalışma sonucundaki AKM giderim verimleri………64
SEMBOLLER
F : besleme akımı
M : membran
P : membrandan geçen elemanlar
R : alıkonma faktörü
Kısaltmalar
AÇ : Aktif Çamur
AÇD : Aktif Çamur Dönüşü
AKM : Askıda Katı Madde
BAÇ : Birinci Kademe Arıtma Çıkışı
BFG : Biyolojik Fosfor Giderimi
BiAÇ : Biyolojik Arıtma Çıkışı (çöktürmeden önce) BNG : Biyolojik Azot Giderimi
BOI : Biyolojik Oksijen İhtiyacı
CA : Selüloz Asetat
COD : Chemical Oxygen Demand
CTA : Selüloz Tri Asetat
ED : Elektrodiyaliz
EDTA : Etilen Diamin Tetra Asetik Asit EPA : Environmental Protection Agency
GF : Granüler Filtrasyon
GP : Gaz Permeation
HA : Ham Atık Su
İAÇ : İkinci Kademe Arıtma Çıkışı (çöktürmeden sonra)
KA : Karbon Adsorpsiyonu
KOI : Kimyasal Oksijen İhtiyacı
MBR : Membran Biyoreaktörü
MF : Mikrofiltrasyon
NF : Nanofiltrasyon
Nit-denit : Nitrifikasyon-Denitrifikasyon
PA : Poliamid
PEG : Polietilen Glikol PTFE : Politetra Furanetilen
PV : Pervoparation
PVA : Polivinil Alkol
PVC : Polivinil Klorür PVDF : Polivinilden Florür
RO : Ters Osmoz
SP : Sartolon Poliamid
TOC : Toplam Organik Karbon
BİYODİZEL ÜRETİM TESİSİ ATIK SULARININ MEMBRAN FİLTRASYONU
Aynur HACIFETTAHOĞLU
Anahtar Kelimeler: Membran, Filtrasyon, Mikrofiltrasyon, Ultrafiltrasyon,
Nanofiltrasyon, Ters Osmoz, Elektrodiyaliz, Biyodizel, Biyodizel Tesisi Atık Suyu.
Özet: Nüfus artışı, sanayileşme ve etkin tarım faaliyetlerinin, dünyanın kısıtlı yeraltı
ve yerüstü kaynaklarını tükettiği ve çevre sorunlarını arttırdığı bir gerçektir. Sanayileşme ve gelişme hamlelerine paralel olarak ülkemizde de kaynak tüketimi hızla artmaktadır. Dünyada su kaynaklarının giderek tükenmesi ve mevcut su kaynaklarının kullanılamayacak duruma gelmesi arıtılmış atık suyun yeniden kullanımı konusunu ön plana çıkarmaktadır.
Membran prosesleri atık suların deşarj standartlarına uygun arıtılmasını veya atık suların yeniden kullanımını mümkün kılarak onların alternatif su kaynağı olarak değerlendirilmelerini sağlamaktadır. Bu çalışmada kuru yıkama yapan biyodizel tesisinden çıkan atık suların mikrofiltrasyon yöntemi ile arıtılması incelenmiştir. Bu amaçla, 0,45 mikron por boyutuna sahip sartolon poliamid ve selüloz asetat mikrofiltrelerinin Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOI), Biyolojik Oksijen İhtiyacı (BOI) ve Askıdaki Katı Madde (AKM) parametreleri üzerindeki giderim verimleri araştırılmıştır.
Sonuç olarak, biyodizel atık sularının mikrofiltrasyon yönteminde sartolon poliamid filtre ile KOI’de % 42-84, BOI’de % 41-84 ve AKM’de % 68-99’luk giderim sağladığı bulunmuştur. Selüloz asetat filtre ise KOI’de % 10-43, BOI’de % 7-43 ve AKM’de % 65-96’lık giderim sağlamıştır. Bu giderim verimleri Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliği’nde verilen alıcı ortam değerlerini sağlamamasına rağmen bir ön arıtım gerçekleştirdiği görülmüştür. Bu şekilde ön arıtımı sağlanan biyodizel tesisi atık suları, aerobik prosesle arıtılabilir veya ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve/veya ters osmoz yöntemleriyle ileri arıtım yapılabilir.
MEMBRANE FILTRATION OF WASTEWATER FROM BIODIESEL PRODUCTION PROCESS
Aynur HACIFETTAHOĞLU
Keywords: Membrane, Filtration, Microfiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration,
Reverse Osmosis, Electrodialysis, Biodiesel, Wastewater of Biodiesel Process.
Abstract: It is a well known fact that high population, industrialization and some
agricultural activities are used up limited resources of the world and caused environmental problems. Being a developing country, consumption of the resources is also increasing in Turkey. Water resources are getting exhausted at all over the world so that it is getting more important to reuse of treated wastewater.
Membrane processes are used to treat the wastewater or applied as an advance treatment option so that the treated wastewater is reused as an alternative water source. In this study, microfiltration treatment of wastewater from a dry cleaning biodiesel process is studied. Sartolon polyamide and cellulose acetate microfilters having 0.45 micron pore size are investigated for the removal efficiency of Chemical Oxygen Demand (COD), Biological Oxygen Demand (BOD) and Suspended Solids (SS) parameters.
As a result, the removal efficiencies in COD, BOD and SS are 42-84 %, 41-84 % and 68-99 %, respectively, for microfiltration using sartolon polyamide microfilter. On the other hand, the removal efficiencies in COD, BOD and SS are 10-43 %, 7-43 %, and 65-96 %, respectively, for microfiltration using cellulose acetate microfilter. Even these removals do not maintain the standards given by the Water Pollution Control Regulation, they provide a removal that can be considered as pre-treatment. Hence, the pre-treated wastewater from biodiesel facility can be further treated by an aerobic process or ultrafiltration, nanofiltration and/or reverse osmosis can be applied as advanced treatment methods.
1. GİRİŞ
Artan su ihtiyacı ile birlikte çok sık baş gösteren su darboğazları, çevresel otoriteleri dünya çapında çok sıkı atık su standartları oluşturmaya, endüstrileri ise atık suyun mümkün oldukça geri kazanılması (sıfır atık ideali) yoluna itmektedir (EPA, 2005). Alıcı ortam üzerinde olumsuzluklar meydana getiren atık suların deşarj standartlarını sağlayabilmesi için bazı özel durumlar dışında klasik arıtım yöntemleri yeterli olmaktadır. Fakat arıtılmış su çıkışını üretim prosesine geri döndürmek veya sulama da dahil tekrar kullanım söz konusu olduğunda bu arıtma sistemlerine ilave olarak ileri arıtım gerekmektedir.
Günümüzde, çıkış suyu kalitesi bakımından oldukça verimli, alan bakımından daha az yer kaplayan ve yatırım/işletme maliyeti ekonomik olan arıtma prosesleri önem kazanmıştır. Özellikle son yıllarda geliştirilen ileri arıtım teknolojileri bu özellikleri ile kullanımlarını cazip hale getirmiştir (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005).
Arıtılmış atık suların deşarj standartlarını sağlayabilmesi için; biyolojik arıtma, adsorpsiyon, flotasyon, filtrasyon, ters osmoz ve membran biyoreaktörleri, havalandırmalı kimyasal oksidasyon, buharlaştırma, yumaklaştırma ve yakma gibi çeşitli arıtma teknolojileri uygulanmaktadır (Hasar, 2001).
Son 20 yılda ekonomik olan birçok ileri arıtma teknolojisi geliştirilmiş ve uygulamaya sokulmuştur. Suyun kıt olduğu yörelerde ve çok su kullanan endüstrilerde atık suların tekrar kullanımı ekonomik bir alternatif olarak dikkate alınmaktadır. İleri arıtım yöntemlerinden olan membran prosesleri ile de atık suların tekrar kullanımı mümkün olmaktadır (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005).
Membran proseslerin kullanımları son yıllarda her alanda oldukça artmıştır. Bu prosesler ile güvenilir ve oldukça iyi düzeyde çıkış suyu kalitesi sağlanmaktadır. Bu
Bu çalışmada kuru yıkama yöntemiyle çalışan biyodizel tesisi atık sularının mikrofiltrasyon membran yöntemi ile arıtılabilirliği üzerinde çalışılmıştır. Atık su numunesi arıtma tesisi giriş kanalından alınmış ve fabrika saha temizliği, tank ve teçhizat temizliği, atık yağların geldiği bidonların yıkama suları ve evsel kaynaklı atık suları içermektedir. Biyodizel; bitkisel ya da hayvansal kökenli yağların katalizör eşliğinde kısa zincirli bir alkol ile reaksiyonu sonucunda açığa çıkan, yakıt amaçlı ürünün adıdır.
Biyodizel tesislerinden çıkan atık suların KOI ve BOI değerleri başta olmak üzere bazı parametreleri oldukça yüksek ölçülmektedir. Özellikle ham madde olarak ham yağın yanında kullanılmış atık yağ kullanan proseslerde daha yüksek değerler de görülebilmektedir. Bu sebeple biyodizel tesisi atık suları aerobik arıtma yöntemleri ile arıtılmaları güç olmakta ve işletme açısından daha problemli olan anaerobik sistemleri gerektirmektedir. Dolayısıyla, mikrofiltrasyon ile ön arıtması yapılmış olan biyodizel tesisi atık suları biyolojik olarak aerobik yöntem ile arıtılması sağlanabilir. Ayıca, bu sular ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve/veya ters osmoz yöntemleri uygulanarak tesis içinde kullanım amaçlı proses suyu veya sulama suyu olarak kullanılabilir.
Bu çalışmada kuru yıkama prensibi ile çalışan biyodizel üretim tesisinden alınan atık suyun mikrofiltrasyon prosesi ile arıtılabilirliği üzerine laboratuvar ölçekli membran filtrasyon düzeneğinde çeşitli özelliklere sahip membran filtreler ile denemeler yapılması amaçlanmıştır. 0,45 mikron por boyutuna sahip selüloz asetat ve sartolon poliamid mikrofiltrasyon membranlar ile değişik basınç değerlerinde çalışılmıştır. Bu membranlardan atık su filtre edildikten sonra arıtılmış suyun çeşitli parametrelerine bakılarak giderim verimleri karşılaştırılmıştır.
2. İLERİ ATIK SU ARITIMI 2.1. İleri Arıtma Tanımı
Hızla artan nüfus, endüstrileşme ve sosyal refaha bağlı olarak artış gösteren atıkların çevreye, dolayısıyla da canlı yaşamına olası zararlı etkilerini azaltmak amacıyla değişik arıtma yöntemleri geliştirilmiştir (Hasar, 2001).
Kullanımları nedeniyle özellikleri değişikliğe uğramış atık sularda, organik bileşikler; azot ve fosfor gibi inorganik nütrientler; iz elementler; zehirli organik ve inorganik maddeler; hastalık yapan (patojen) mikroorganizmalar ve diğer maddeler bulunmaktadır (Lue-hing ve diğ., 1992). Bu nedenle, atık suların olası zararlı etkilerini azaltmak için alıcı ortamlara deşarj edilmeden önce arıtma tesislerinde arıtılmaları gerekmektedir. Yapılan arıtma tesisleri genellikle karbonlu bileşiklere göre projelendirilirler. Azotlu bileşiklerin oksidasyonu istenirse, projelerde ayrıca ek üniteler tasarlanır. Atık suların yapısında bulunan maddeler ve uygulanabilecek arıtma yöntemleri şu şekilde özetlenebilir. Atık su içerisindeki maddeler; çökebilen maddeler (organik ve anorganik) için çökeltme, havalandırma ve flotasyon gibi mekanik arıtma, oksijen tüketen (organik ve çökmeyen) maddeler için aktif çamur havuzları ve damlatmalı filtreler gibi biyolojik arıtma, çözünmüş azot ve fosfor için biyolojik denitrifikasyon ve kimyasal çöktürme gibi ileri arıtım, zor veya hiç indirgenmeyen maddeler (inorganik tuzlar) için ise buharlaştırma, yakma, deponi, fiziksel ve kimyasal arıtma yöntemleri uygulanır.
Atık suların arıtımı başlıca üç kademede yapılmaktadır. Ancak her arıtımda üç kademe beraber kullanılmamaktadır. Bazı arıtımlar birinci kademede, bazıları da ikinci kademede bırakılabilmektedir. Birinci kademe arıtımda; fiziksel olarak atık sulardaki katı parçacıklar ayrılmakta ve atık sular klorlanarak ve böylece sularda bulunan zararlı bakteriler yok edilerek nehir veya başka bir alıcı ortama deşarj edilmektedir. İkinci kademe arıtım; biyolojik ve kimyasal reaksiyonların ağırlık
denitrifikasyon, fosfor eliminasyonu ve membran filtrasyonu işlemlerini kapsamaktadır (Hasar, 2001).
Klasik arıtma sistemleri çıkışında arıtılmış atık suda kalan AKM, çözünmüş madde, organik maddeler vb. gibi kirleticilerin de arıtımına ilave arıtma sistemlerini gerektirmekte olup bu sistemlere “ileri arıtma sistemleri” denmektedir.
Bu kirleticiler organik maddeler, askıda katı maddeler, inorganik maddeler (Ca, K, SO4, fosfat, nitrat vb.) veya kompleks sentetik organik bileşikler olabilmektedir. Söz
konusu bileşiklerin çoğunun çevre üzerine etkileri bilinmektedir. Son yıllarda özellikle zehirli bileşiklerin çevreye etkileri ile klasik ve ileri arıtma sistemlerindeki arıtım mekanizmaları araştırılmaktadır.
Arıtılmış atık suda geriye kalan bileşiklerin çevredeki potansiyel etkisi deşarj ortamına göre önemli değişiklikler gösterir. Her ne kadar askıda katı ve biyolojik olarak parçalanabilen organiklerin arıtımı için klasik ikinci kademe arıtma sistemleri yeterli olsa da deşarjın göl, nehir, dere veya hassas bölgelere yapılması durumunda daha fazla arıtım gerekmekte, bu da ileri arıtma sistemlerinin ilavesini zorunlu kılmaktadır (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005).
2.2. İleri Atık Su Arıtma İhtiyacı
Atık suda bulunan bileşiklerin bilimsel olarak tespiti, genişleyen bilgi ağına ulaşım ve çevre izleme çalışmaları, arıtılmış atık suyun deşarj limitlerinin daha sıkı ve sınırlayıcı olmasına yol açmıştır. Birçok yerde deşarj limitleri ikinci kademe arıtım sistemlerinde arıtılamayan organik maddenin (askıda katının, besi maddelerinin (N ve P) ve öncelikli kirleticilerin) arıtımını gerektirebilir. Dünya’da kullanma suyunun sınırlı olduğu yerlerde arıtılmış atık suyun tekrar kullanımı giderek önem kazanmaktadır. Bu nedenle sulama da dahil olmak üzere atık suyun tekrar kullanımı söz konusu olduğunda atık suyun daha ileri arıtımı gereklidir (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005). Ayrıca yüksek kalitede su ihtiyacı olan proseslerde veya tuzlu deniz suyundan kullanma suyu elde etmek içinde ileri arıtım kullanılmaktadır (Öztürk, 2007).
2.3. İleri Atık Su Arıtımı için Kullanılan Arıtma Teknolojileri
Özellikle son 20 yılda birçok ileri arıtma teknolojisi geliştirilmiş ve uygulamaya sokulmuştur.
2.3.1. Teknolojilerin sınıflandırılması
İleri atık su arıtma sistemleri temel işlem ve proseslerine veya uygulanan arıtma prensibine göre sınıflandırılabilirler. Bu işlem ve proseslerin kıyaslanmasını kolaylaştırmak için arıtmanın amacı, beklenen fonksiyonu gerçekleştirmek için kullanılan işlem ve proses tipi, arıtılan atık su özelliği ile ilgili bilgiler dikkate alınır. Tablo 2.1: İleri atık su arıtma işlem ve prosesleri ile kirlilik giderimi (Metcalf ve Eddy,1991)
2.3.2. Proseslerin arıtma seviyeleri
Proses ve işlem seçimi;
• Arıtılmış atık suyun potansiyel kullanımına, • Atık suyun özelliğine,
• Çeşitli proses ve işlemlerin bir arada uygulanabilirliğine, • Deşarj standartlarına,
• Çeşitli sistemlerin çevresel ve ekonomik fizibilitesine bağlıdır.
İleri arıtmada özel ve öncelikli kirleticilerin giderilmesi söz konusu olduğundan ekonomik fizibilite sistem tasarımında kontrol edici faktör olmamaktadır. Uygun temel işlem ve proses düzenlemeleri ile elde edilebilecek çıkış suyu kirletici konsantrasyonları Tablo 2.2.’de verilmektedir. Bu işlem ve proseslerin farklı düzenlemeleri arıtma ekonomisine ve arıtılacak maddeye bağlı olarak oluşturulabilmektedir (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005).
Tablo 2.2: İleri atık su arıtımında kullanılan çeşitli temel işlem ve proses düzenlemeleri ile ulaşılabilecek arıtma seviyeleri (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005)
Arıtılmış Çıkış Suyu Arıtma Prosesi AKM mg/l BOI5 mg/l KOI mg/l Top.N mg/l NH3-N mg/l PO4-P mg/l Bulanıklık NTU AÇ+GF 4-6 <5-10 30-70 15-35 15-25 4-10 0,3-5 AÇ+GF+KA <3 <1 5-15 15-30 15-25 4-10 0,3-3 AÇ/Nit 10-25 5-15 20-45 20-30 1-5 6-10 5-15 AÇ/Nit-denit. 10-25 5-15 20-35 5-10 1-2 6-10 5-15 Metal tuz+AÇ 10-20 10.-20 30-70 15-30 15-25 <2 5-10
Metal tuz + AÇ + Nit-denit.+filtrasyon
<5-10 <5-10 20-30 3-5 1-2 <1 0,3-3
BFG (ana akım) 10-20 5-15 20-35 15-25 5-10 <2 5-10
BN+BFG+Filtr. <10 <5 20-30 <5 <2 <1 0,3-3
AÇ : Aktif çamur GF : Granüler filtrasyon KA : Karbon adsorpsiyonu
Nit-denit : Nitrifikasyon-denitrifikasyon BFG : Biyolojik fosfor giderimi
3. MEMBRAN FİLTRASYONU 3.1. Membran Sistemler
Son yıllarda geliştirilen bazı arıtma teknolojileri ile atık suyun tekrar kullanımı ekonomik olarak mümkün olmaktadır. Özellikle suyun kıt olduğu yörelerde ve çok su kullanan endüstrilerde önemli altyapı yatırımları yapılmadan önce evsel atık suların ve kötü kalitedeki yüzey sularının tekrar kullanımı ekonomik bir alternatif olarak dikkate alınmalıdır. Membran prosesleri atık suların tekrar kullanımını mümkün kılarak onların alternatif su kaynağı olarak değerlendirilmelerini gündeme getirmiştir (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005).
Gelişen teknolojik ilerlemelere bağlı olarak membran filtrasyon teknolojisi uygulama alanını, kimyasal, petrokimyasal, mineral, biyoteknoloji, fermakoloji, kağıt ve su gibi bir çok endüstriyel sektöre genişletmiştir. Membran ünitelerinin ve özellikle membranların fiyatları üretici firmalar tarafından gerçekleştirilen araştırmalar ve firmalar arasındaki rekabetin etkisi ile önceki fiyatlarına oranla yaklaşık % 50 oranında bir indirim göstermiştir. Günümüzde, düşük operasyon basınçları ile ayırmanın mümkün olabilmesi nedeni ile azalan enerji ihtiyacına paralel olarak düşen işlem maliyeti, membran teknolojisinin uygulama alanını arttıran bir faktör olarak öne çıkmaktadır (Kurama, 2002).
Membran, iki farklı fazı veya ortamı birbirinden ayıran ve bir tarafından diğer tarafa maddelerin seçici bir şekilde taşınmasını sağlayan geçirgen bir tabakadır (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005). Membran, bir maddenin diğer maddelere nazaran daha kolay gözeneklerinden geçebildiği ve bu yüzden ayırma prosesinin temelini oluşturan materyal olarak da düşünülebilir (Hasar, 2001).
Tüm membranla ayırma teknolojilerinde membrandan geçme yönünde akış sağlamak üzere itici bir kuvvet ve bazı maddelerin geçişini engelleyen ayırma faktörü, temel
proseslerinde en yaygın itici kuvvet basınçtır (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005). Membran proseslerde iki faz vardır. Bunlar besleme ve süzüntü akımlarıdır. Arıtma işlemi, birinci fazdaki bir bileşenin membran tarafından belli bir oranda tutulması esasına dayanır. Membrandan geçen akım iki kısma ayrılır. Bunlar, membrandan geçen ve geçmeyen akımlardır. Membrandan geçen süzüntü akım, geçmeyen ise konsantre akım olarak adlandırılır (Hasar, 2001). Membranın por aralığından daha ufak olan partiküller membranı geçerek süzüntüye karışır. Bu esnada daha büyük parçalar veya çözünmüş maddeler tutularak konsantre akımında kalırlar (Şekil 3.1.).
Şekil 3.1: Membran proseslerde geçen ve geçmeyen akımlar (Hill, 2003)
Membran ayırma prosesleri mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon (NF), ters osmoz (RO) ve elektrodiyaliz (ED)’dir. Bu yöntemlerde ayırma, moleküllerin boyutlarına ve molekül kütlelerine göre olur. Bu membranlar geçirdikleri maksimum molekül ağırlığına göre ayırt edilirler (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005).
Membran prosesleri sayesinde kötü kalite suların güvenilir, emniyetli ve ekonomik olarak kullanımının mümkün olduğu kanıtlanmıştır. Atık suların membran teknolojisiyle arıtılmasında, öncelikle atık suyun kalitesi ve miktarı, membran modül tipi, membran malzemesi, membran temizleme yöntemi, işletme parametreleri ve oluşan konsantre akımının uzaklaştırılma türü gibi bilgilere gereksinim vardır. Atık su arıtımında, artan yükümlülükler için membran ayırma sistemlerinin seçiminde veya tasarımında en önemli parametre, arıtılacak suyun içeriklerini
ayırmak için uygun membran özelliğinin bilinmesidir. Birçok proses için membran süspanse veya çözünmüş halde olabilen kirleticileri tutarak suyun kirleticilerden büyük ölçüde temizlenmesini sağlar. Bazı durumlarda ise, membran atık sudan kirleticileri ekstraktif membran biyoreaktöründe (ekstraktif MBR) ekstrakte etmek veya daha az kabarcıklı oksidasyon MBR’de atık sudan gaz transferi şeklinde rol oynayabilir (Hasar, 2001).
Membran seçimini etkileyen faktörler; besleme suyunun asiditesi, sertliği, pH’ı, sıcaklığı, askıda katı madde miktarı, çözünmüş toplam madde ve klor miktarıdır (Öztürk, 2007).
3.2. Membran Teknolojilerinin Avantajları ve Dezavantajları
Avantajları;
1. Ayırma sürekli modda yapılabilir. 2. Enerji tüketimleri genellikle düşüktür. 3. Yer ihtiyacı çok azdır.
4. Çok yüksek konsantrasyonlu atık su arıtımında uygulanabilir. 5. Taşınabilir özelliktedir.
6. Herhangi bir inşaat gerektirmemektedir.
7. Güvenilir ve oldukça iyi düzeyde çıkış suyu sağlamaktadır.
8. Membran prosesler diğer ayırma prosesleri ile kolayca birleştirilebilir. 9. Up-scaling kolaydır.
10.Membran özellikleri değiştirilebilir veya ayarlanabilir. 11.İlave madde gerektirmez.
12.Modüler olarak kullanılabilir.
13.Maliyeti gün geçtikçe daha da aşağılara çekilmektedir (Hasar, 2001). Dezavantajları;
1.Konsantrasyon polarizasyonu ve membran kirlenmesi. 2.Düşük membran ömrü.
3.3. Membran Ayırma Prosesleri ve Sürücü Kuvvetler
Tüm membranla ayırma teknolojilerinde membrandan geçme yönünde akış sağlamak üzere itici bir kuvvet ve bazı maddelerin geçişini engelleyen ayırma faktörü, temel iki prensiptir. Kütle transferi; konsantrasyon farkı, basınç farkı ve elektriksel potansiyel fark gibi itici güçler yardımıyla gerçekleşmektedir. Membran proseslerinde en yaygın itici kuvvet basınçtır. Basınç farkı uygulaması sonucunda membran bir elek gibi hareket etmektedir (Öztürk, Timur ve Koşkan, 2005).
MF ve UF’de itici kuvvet tamamen basınçtır. Nanofiltrasyonun çalışma prensibi ise ters osmoza benzer. Aralarındaki fark uygulanan basınç miktarının farklı olmasıdır. Ters osmoz işlemi esnasında nanofiltrasyondan çok daha yüksek basınca ihtiyaç duyulur. Ayrıca RO membranlarda gözenek boyutu son derece küçük olduğundan ayırma mekanizması membranı oluşturan zincirlerin ısıl hareketine de dayanır. ED’de ise sulu çözeltilerden iyonların ayrılması için elektriksel potansiyel farkı itici kuvvet olarak kullanılır (Cardew ve Le, 1998).
3.4. Membran Sınıflandırması
3.4.1. Kirletici boyutuna bağlı olarak membran çeşitleri
Şekil 3.3: Kirletici boyutuna bağlı olarak membran çeşitleri (Öztürk, 2007)
3.4.1.1. Mikrofiltrasyon (MF)
Düşük basınçlı (10- 100 psi), çapraz akışlı membran prosesidir. Membranların por çapı yaklaşık 0,03- 10 mikrondur. Mikrofiltrasyon ile askıda maddeler giderilebilir. Düşük basınçlı proseslerde bakteriler, yağlar, maya ve mantarlar gibi yüksek molekül ağırlıklı bileşiklerin gideriminde, kimyasal, biyolojik, fermakolojik ve gıda çözeltilerinin arıtımında ve atık su arıtmada kullanılır. Kum, çamur, balçık, Glardia lamblia ve Cryptosporidium kistlerini, algler ve bazı bakteri türlerini temizler. Virüsler için bariyer oluşturmaz. Maliyeti en az olan membrandır. Genellikle polipropilen, akrilonitril, naylon ve politetrafloroetilenden yapılır (Ho ve Sirkar, 1992).
Şekil 3.4. Mikrofiltrasyon (Öztürk, 2007)
Yıllarca MF oldukça küçük gözenekli simetrik membranların kullanıldığı sonlu bir derinlik filtresi tipi olmuştur. Böyle membranlar partikülleri tutar ve bir filtre keki oluşmasına neden olurlar. Bu da akış hızını düşürür ve basınç düşüşü belirli bir değere ulaştığında membranın değiştirilmesi veya rejenere edilmesi gerekir. Ayrıca filtre keki membrandan geçmesi gereken partikülleri tuttuğundan filtrasyon karakteristiklerini değiştirir. Bu nedenlerle büyük ölçekte kullanılması pratik olmamıştır (www.kimyaevi.org).
MF membranların geometrik yapısı UF membranlarla aynıdır. Bu nedenle modül barınakları ve yardımcı ekipmanları da benzerdir. Ayrıca membran tipleri de (selüloz, sentetik polimer, inorganik) UF ile aynıdır. Ancak inorganik membranlara MF uygulamalarında, UF ve RO uygulamalarından daha fazla rastlanır. Hatta bazı inorganik membran tipleri yalnızca MF gözenek boyutlarında görülür.
Membran üretiminde cam, metal, alüminyum, zirkonyum ve titanyum karışımlarından oluşan farklı inorganik materyaller kullanılmıştır. Ayrıca membran geometrisinde de geleneksel membran dizaynlarına göre önemli farklılıklar görülebilir (www.kimyaevi.org).
MF, fermentasyon ürünlerinden mikroorganizmaları uzaklaştırmak için kullanılabildiği gibi, kolloidler, yağ molekülleri ve hücreler gibi heterojen dağılmış parçacıkları da ayrıştırabilir (Salt ve Dinçer, 2006).
Mikrofiltrasyon yöntemi; içecek ve fermakolojik çözeltilerinin soğuk sterilizasyonunda, meyve suyu, şarap ve bira endüstrilerinde, biyolojik atık su arıtma tesislerinde sudan bakterileri uzaklaştırmada, atık su arıtma işlemlerinde, su-yağ emülsiyonlarının ayrılmasında, NF ve RO için ön arıtma işlemlerinde ve ilaç ve gıda endüstrilerinde katı-sıvı ayrımında kullanılır (www.lenntech.com).
Por yapısına göre 2 çeşit mikrofiltre membran vardır. Bunlar elek ve derin membran filtredir.
Elek(screen) membran filtre Derin(depth) membran filtre Şekil 3.5: Elek ve derin membran filtre (Baker ve diğ., 1990) Elek (Screen) Membran Filtre şu şekilde üretilir:
Ticari olarak polikarbonat ve polyester ince filmden yapılanlar kabul edilir. İki basamakta üretilir. Çekirdeksel iz ve dağlama prosesidir. Şekil 3.6’da polikarbonat üretimi gösterilmektedir. Birinci basamak plastik film radyasyonla iyonize olup izlerin açığa çıkması sonucu oluşturulur. İkinci basamakta izler güçlü alkali çözeltisiyle dağlanır.
Derin (Depth) Membran Filtre şu şekilde üretilir:
Ticari olarak saf gümüş, PVC, PVDF, PTFE, çeşitli selülozik bileşikler, naylon, polietersülfon, polipropilen gibi malzemelerden yapılanlar kabul edilir. Genellikle derin membranlar döküm makinası kullanılarak üretilirler. Şekil 3.7.’de selülozik membranların üretimi gösterilmektedir. Organik çözücü karışımı içerisinde selüloz esterlerinin çözdürülmesiyle üretilir. İçerisine çeşitli kimyasallar ilave edilir. Sonra çözelti hareketli bant üzerine 150 m kalınlıkta film olacak şekilde dökülür. Kontrollü şartlar altında çözücüler buharlaştırılır ve kıvrık por yapısı oluşur (Baker ve diğ., 1990).
Şekil 3.7: Derin (depth) membran filtrenin üretimi (Baker ve diğ., 1990)
3.4.1.2. Ultrafiltrasyon (UF)
UF membranları, çözünmüş ve kolloidal makromolekülleri ve küçük partikülleri ayırmak için kullanılmaktadır. Ayırmada temel etken molekül büyüklüğü olmakla beraber, molekül şekli ve yükü de rol oynamaktadır (Dikme, 2007). UF’de itici kuvvet tamamen basınçtır. Asimetrik membranlardır. UF prosesinde 0,1- 0,01 µm büyüklüğündeki partiküller tutulur. UF proseslerinde membranların gözenek boyutları daha büyük olduğundan ayırma için daha düşük basınç gerekir. Tipik olarak UF 10 ile 1000 Angstron arasında değişiklik gösteren gözenek büyüklüğüne ve 300 ile 500 000 dalton arası ağırlığındaki molekülleri tutma kabiliyetine sahiptirler (Cheryan, 1998). Büyük delikli bir taşıyıcı (polimer) üzerine ince bir polimer filmi (skin) çekilerek elde edilir. Esas resitans bu ince film (skin tabaka) üzerinde olduğundan, yani filtrasyon hacimsel değil yüzeysel olduğundan, tıkanma sadece bu film üzerinde beklenir (Hill, 2003).
Şekil 3.8: Ultrafiltrasyon (Öztürk, 2007)
Ultrafiltrasyon membranlarının çoğu asimetrik yapıdadır ve üst tabakaları gözeneklidir. Membranların hazırlanmasında polimerik ve inorganik materyaller kullanılır. Polimerik UF membranlar sıklıkla daldırarak çökeltme prosesiyle hazırlanır. Bu amaçla bir polimer solüsyonu ince bir film halinde dökülür ve polimer için çözücü olmayan bir madde içeren koagülasyon banyosuna daldırılır. Çözücü homojen likid polimer filmin dışına doğru difüze olmaya başlarken çözücü olmayan madde içine difüze olur. Faz ayrımı polimer film içinde gerçekleşir ve polimer gözenekli asimetrik membran yapısını oluşturmak üzere katı faz olarak çöker (www.kimyaevi.org).
UF prosesleri süt endüstrilerinde (peynir üretiminde sütün konsantre edilmesi, peyniraltı suyunun konsantre edilmesi), gıda endüstrisinde (meyve suyu, bira, şarap sirke berraklaştırma, yumurta akının konsantre edilmesi, jelatinin temizlenmesi ve konsantre edilmesi, yağ sanayinde emülsiyonların kırılması), biyoteknoloji ve ilaç sanayinde (fermentasyon sıvılarının berraklaştırılması, enzimlerin konsantre edilmesi ve temizlenmesi, hücre eldesi, aktif biyolojik maddelerin eldesi), metal endüstrilerinde (yağ-su emülsiyonlarının ayrımında, boya endüstrilerinde), tekstil endüstrilerinde ve elektronik sanayinde kullanılır. UF prosesi, RO prosesi öncesi ön arıtım kademesi olarak da kullanılır (Ho ve Sirkar, 1992).
pirolize karbon, zirkonya/ paslanmaz çelik, zirkonya/karbon gibi materyallerden üretilir (Baker ve diğ., 1990).
3.4.1.3. Nanofiltrasyon (NF)
Nanofiltrasyon ters osmoz ile ultrafiltrasyon arasında yer alan bir membran ayırma prosesidir. Nanofiltrasyon membranları asimetrik yapıya sahiptir. Basınç sürücülü bir ayırma prosesidir. Membran por boyutu 0,5- 2 nm ve basınç 5- 40 bar arasındadır. Moleküler cut-off (ayırma) değeri 300- 500 g/mol’dür. Yani bu molekül ağırlığındaki maddeler ile daha yüksek mol ağırlığındaki maddelerin ayrımını yapar. Kütle transfer mekanizması difüzyondur. NF çapraz akışlıdır. Çalışma prensibi olarak ters osmoza benzer. Aralarındaki fark uygulanan basınç farkıdır. Ters osmozdaki basınçtan daha düşük basınç uygulanır. Daha düşük basınç uygulandığı için enerji ihtiyacı azdır. Bu nedenden dolayı çoğu durumda ters osmoza tercih edilir. İyi bir ayrım için 10 bar veya daha üstü basınç uygulanması gerekir (Cardew ve Le, 1998).
Nanofiltrasyon son zamanlarda kullanılmaya başlamış ve moleküler ağırlık sınırı ultrafiltrasyon ile ters osmoz arasında (200 ile 2000 Dalton) olan bir membran ayırma yöntemidir. Genellikle bakterilerin, virüslerin, organik kalıntıların ve sertliğin uzaklaştırılmasında kullanılır. Ayrılma işlemi organik bir yarı geçirgen membrandan oluşan seçici geçirgen bir tabaka üzerinde gerçekleşir. İşlemde itici güç membranın iki tarafındaki besleme ve süzüntü arasındaki basınç farkıdır. Membran seçiciliğinden dolayı su ve molekül ağırlığı 200 Da’dan küçük bileşenler yarı geçirgen ayrıştırma tabakasını geçebilirken çözünmemiş karışımların bir veya birkaç bileşeni itici güce rağmen membran tarafından tutulur (www.kimyaevi.org).
Bu proseste çok değerlikli iyonların giderimi sağlanır. NF membranları düşük molekül ağırlıklı bileşikleri reject eder. Bu proses hemen hemen bütün kistleri, bakterileri, virüsleri ve humik maddeleri uzaklaştırır (www.lenntech.com). Polimerik, homojen asimetrik olan NF’ler selüloz asetat ve sülfonlanmış polisülfondan üretilir. İnce film yapıda olanlar ise çapraz bağlı poliamid polimerler, polisülfon, polietersülfon, polivinilden florid vb. materyallerden üretilir (EPA, 2005). NF membranlarının performansını etkileyen parametreler; basınç, sıcaklık çapraz akış hızı ve pH’dır.
Nanofiltrasyonun, atık su veya reaksiyon ortamındaki tek değerlikli iyonların ayrımında, farklı değerlikli iyonların ayrımında, düşük veya yüksek molekül ağırlıklı bileşenlerin ayrımında ve düşük konsantrasyonlarda tuz içeren sularda kullanımı yaygındır (Hill, 2003).
NF; gıda endüstrisinde (fermentasyon prosesindeki nütrientlerin geri dönüşümünde, organik asitlerin saflaştırılmasında, şeker çözeltilerinin demineralizasyonunda ve amino asitlerin ayrımında), tekstil sanayinde (prosesten çıkan atık suların arıtımında), deri sanayinde (atık sudan suyun ve tuzun geri kazanımında), metal kaplama endüstrisinde (asidik çözeltilerden ağır metallerin geri kazanımında, nikel arıtımında vb.) kullanılır (Ho ve Sirkar, 1992).
3.4.1.4. Ters osmoz (RO)
İçme suyunun kısıtlı olduğu yerlerde deniz suyundan tatlı su elde edilmesinde ve sulardaki sertliği gidermede ters osmoz metodu kullanılmaktadır. İlaç sanayi ve laboratuvar gibi sektörlerde ise daha kaliteli su elde etmek için ters osmoz metodu geniş olarak uygulanmaktadır.
Ters osmoz, yüksek basınçta yarı geçirgen membran arasından tuzlu su veya atık su içinde çözünür halde bulunan maddeleri belli basınç altında geçirilerek sudaki istenmeyen maddeleri filtre etme işlemidir. Ters osmoz sistemleri, su kalitesini iyileştirmek ve atık suları arıtmak amacı ile uygulanmaktadır (Öztürk, 2007).
Ters osmoz işlemi esnasında, yüksek basınca ihtiyaç duyulur. Bu basınç bir pompa vasıtası ile sağlanır. 1 Mpa- 20 Mpa (10- 200 bar) arasında basınç uygulanır. Membran gözenek boyutu 1- 10 Angstron arasındadır. RO sistemi çapraz akış filtrasyon prensibine göre çalışır. Bu membranlar poliamid ve benzeri malzemeden yapılmıştır (Ho ve Sirkar, 1992).
Ters osmoz sistemlerle katyon ve anyon gibi iyonik yapılı ve boyutları 0,0001- 0,001 µm olan suda çözünür halde bulunan maddeleri gidermek mümkündür.
Şekil 3.9: Ters osmoz (Öztürk, 2007) Ters osmoz sistemleri;
- Çok tuzlu deniz suyunu veya hafif tuzlu suyu içme suyuna dönüştürmek, - Endüstriyel işletmelerde çözünmüş tuzları geri kazanmak,
- Sanayide ve içme suyunda istenen kalitede su elde etmek, - Buhar kazanlarında kazan taşı oluşumunu önlemek, - Sulardaki sertliği gidermek,
- Çok kirli atık suları arıtmak,
- Konsantre meyve suyu ve salça elde etmek,
- Toksin maddeleri ve mikroorganizmaları bertaraf etmek, - Kimyasal işletmelerde daha kaliteli su kullanmak,
amacı ile geniş olarak kullanılmaktadır. Özellikle içme suyunda koku, tat, renk, çözünmüş madde ve sertliği gidermek amacı ile ters osmoz işlemi son yıllarda geniş bir şekilde kullanılmaktadır.
Ters osmoz sistemlerle mikrobiyal canlıları gidermek mümkün olmasına rağmen sadece mikrobiyal olarak emniyetli suların beslenmesi tavsiye edilir. Bununla beraber, bazı ters osmoz sistemler, yüzeysel sularda bulunan ve su ile taşınan protozoan cysts (crytosproridium ve giardia) bertaraf etmek için kullanılır.
Ters osmoz sistemleri son zamanlarda özellikle çok kirli atık suların arıtılmasında da ciddi olarak uygulanmaya başlanılmıştır. Zeytin karasuyu, peynir altı atık suyu, katı atık sızıntı suyu, kaplama sanayi atık suyu, tekstil sanayi atık suları, asit üretim
tesisleri, gıda sanayi atık sularının arıtılmasında ters osmoz sistemi kullanılmaya başlanmıştır.
Levha (plate) ve çerçeve (frame) sistemler yüksek, hollow fine fiber modeller düşük hızlarda çalışırlar. Membran yüzeyinde konsantrasyon polarizasyonunu minimize etmek için türbülans akım gereklidir.
Ters osmoz filtrasyon kapasitesi, membran özelliğine, besleme suyu sıcaklığına, işletme basıncına, bertaraf edilecek çözünmüş maddeye ve sistemin konfigurasyonuna bağlı olarak değişmektedir.
Ters osmoz sistemler sulardaki tüm maddeleri gidermez. Karbon dioksit gibi gazlar yanında etanol gibi sıvılar ters osmoz membran arasından reddedilmeden geçer. Ters osmoz sistemlerde bazı organik maddeleri (tri halo metanları, pestisitleri ve diğer VOC’ları) etkili olarak bertaraf etmek mümkün değildir.
Çok kirli ama az atık su üreten tesislerden çıkan atık suları arıtmak içinde ters osmoz metodu dünyada geniş olarak uygulanmaktadır. Ancak membran yüzeyinde tıkanma ve kirlenmeye yol açması sanayide kullanımını kısıtlayan en önemli faktördür (Öztürk, 2007).
3.4.1.5. Elektrodiyaliz (ED)
Elektodiyaliz, elektrik alanı kullanılarak, seçilmiş iyon zarlarıyla eriyikten elektriksel olarak yüklenmiş taneciklerin ayrılması işlemidir. Katyon ve anyonlar seçici membran tarafından reject edilirler. Bu reject edilen anyonlar elektrodiyaliz hücresinden deşarj edilirler (Baker ve diğ., 1990).
Elektrodiyaliz prosesleri sudan iyonları dahi ayırabilmektedir. Elektrodiyaliz prosesinde membrandan süzüntü sağlamak amacıyla elektromotiv kuvvet uygulanmaktadır (Hasar, 2001).
ED’de iyonlar elektriksel itici kuvvetin etkisiyle çözeltilerden ve membranlardan aktarılırlar. Günümüzde ED, en genel kullanımı ile, elektriksel alan ve iyon
yüksek tuz oranlı suya ve tuzu giderilmiş suya ayrılmasında kullanılan elektrolitik bir proses olarak nitelendirilebilir (Büyükerkek, 2004).
ED, tuzlu ve acı sudan içilebilir su elde edilmesi, meyve sularının asitliğinin giderilmesi, pH kontrolü ve ağır metal geri kazanımı, klor-alkali tesislerinde kostik soda üretimi gibi alanlarda kullanılmaktadır (Salt ve Dinçer, 2006).
İleri bir membranda; 200- 1200 membran kullanılır. 1 m2 yüzey alanına sahip ve 400 membran kullanılıyorsa 100 amp, 200 volt elektrik akımına ihtiyaç duyulur (EPA, 2005).
Elektrodiyalizin esası şematik olarak Şekil 3.10.’da gösterilmektedir. Bir elektrodiyaliz ünitesi, bir anot ve bir katot arasında, anyon değişimini sağlayan zarların sıralanmasıyla meydana gelmektedir. Katyon zarları sadece pozitif yüklenmiş iyonların difüzyonuna, anyon zarları ise negatif yüklenmiş iyonların geçişine izin vermektedir. Uygulanan elektrik alanı sayesinde, sodyum iyonları katyon geçirgen membranın bir tarafından diğer tarafına geçer ve besleme suyu bölümünü terk ederler. Klorür iyonları diğer yönde anoda doğru hareket ederler ve besleme suyundan benzer şekilde ayrılırlar (Can, Etemoğlu ve Avcı, 2002).
3.4.2. Ayırma mekanizmasına göre membran çeşitleri 3.4.2.1. Poroz (gözenekli) membranlar
Boyuttaki büyüklük farklılıklarına dayanan ayırma prensibi (eleme etki mekanizması) ile çalışan membran çeşididir. Poroz membranlarda por boyutları ayırma karakteristiğini belirler. Bu membranlarda, çözünen boyutu por boyutundan büyük olduğunda yüksek seçicilik sağlanır (Mulder, 1994). Burada uygulanan taşıma mekanizması elek mekanizmasının bir çeşididir.
Şekil 3.11: Poroz (gözenekli) membran (Crespo ve Böddeker, 1994)
MF, UF, NF ve ED membranları porozdur. Aslında NF membranları poroz ve nonporoz membranları arasında kabul edilebilir. Çünkü NF mekanizması çözünme-difüzyon mekanizmasını içine alır. Hatta elektrokimyasal etkilerde kütle transferi eşitliklerinde yer almalıdır (Crespo ve Böddeker, 1994).
Makroporoz > 50 nm Mesoporoz 2- 50 nm Mikroporoz < 2 nm
3.4.2.2. Nonporoz (gözeneksiz) veya dense membranlar
Membranda materyalin çözünmesi ve difüzivitesine dayanan ayırma prensibi (çözünme-difüzlenme mekanizması) ile çalışan membran çeşididir. Bu membranlar yoğun ortam olarak göz önünde bulundurulur. Türlerin difüzyonu membran
Bu tip ayırmalarda moleküler boyut veya molekül ağırlığından ziyade polimerik membranın morfolojisi, kimyasal yapısı ve aynı zamanda polimer ve geçen moleküller arasındaki etkileşimler önemli faktördür. Bu membranlarda ayırma, çözünürlüğün ve difüzyonun farklılığı ile sağlanmaktadır. Nonporoz membranlar makroskobik porları içermemektedir (Crespo ve Böddeker, 1994). GP (gaz permeation), PV (pervoparation) ve RO membranları bu tiptedir.
Şekil 3.12: Nonporoz (gözeneksiz) membran (Crespo ve Böddeker, 1994)
3.4.2.3. İyon-değişim membranları
Ayrılan türün yük farklılığına dayanan ayırma prensibi (elektrokimyasal etki) ile çalışan membran çeşididir. İyon-değişim membranları nonporoz membranların özel bir türüdür. Bu membranlar pozitif veya negatif yük taşıyan oldukça şişmiş jellerden oluşur. Bu tip membranlar yoğun veya mikrogözenekli olabilir, ancak çoğunlukla çok ince mikrogözeneklere sahiptir ve gözenek duvarları pozitif veya negatif yüklü iyonlar taşır. Sabit yükün işaretine bağlı olarak anyonik ya da katyonik olarak adlandırılırlar. Katyon değiştirici membranlar, katyonların geçişine izin verip, –SO3-,
–COO-, –PO32-, –PO3H-, –C6H4O gibi anyonları geri iten sabit negatif yüklü gruplar
içerir. Anyon değiştirici membranlar ise anyonları geçirip, –NH3+, –NRH2+, –NR3+,
–PR3+, –SR2+ gibi katyonları geri iten sabit pozitif yüklü gruplar içerir (Xu, 2005).
Ayırma işlemi çözeltideki iyonların yük ve derişiminden etkilenir. Yüklü membranlarla ayırma işlemi, membran yapısındaki sabit iyonlarla aynı yüke sahip iyonların dışarıda tutulmasıyla gerçekleştirilir. Elektrik yüklü membranlar elektrolitik çözeltilerin işlenmesinde kullanılır (Salt ve Dinçer, 2006).
NR3+ taşıyanlar anyon-exchange
SO3- taşıyanlar katyon-exchange
3.4.3. Kimyasal yapılarına göre membran çeşitleri 3.4.3.1. Organik membranlar
Membran olarak selüloz asetat (CA), selüloz tri asetat (CTA), poliamid (PA), diğer aromatik poliamitler, poliüretanlar ve polieter amitler kullanılmaktadır. İnce film kompozit (TFC) membranlar birçok farklı malzemeden oluşan değişik polimerlerden elde edilir. Organik membranlar hidrofilik ve hidrofobik özelliğe sahip olabilir.
3.4.3.1.1. Selüloz asetat (CA) membranlar
Doğal polimer selülozun bir türevi olan selüloz asetat (CA) ilk on yılda UF için ana membran malzemesi olarak kullanılmıştır. Selüloz asetat (CA) membranlar, daha fazla asetil grubu içerir. Bu membranlar daha çok çözünmüş maddeyi reddeder. Daha düşük su değişimine sahiptir. CA membranlar daha ucuzdur. Besleme suyunda serbest klor konsantrasyonu 1 mg/lt kadar olduğu zaman dahi kullanılabilir. Sürekli klorlama yapılan sistemlerde CA membranların kullanılması tavsiye edilir. CA membranlar, biyolojik reaksiyonlara uğrayarak daha kısa sürede hidrolize uğrayabilir. CA membranlar hidrofilik özelliktedir. Dolayısıyla daha az kirlenme meylindedir. CA membranlar, çok düşük veya yüksek pH’larda hızlı bir şekilde selüloza ve asetik asite dönüşür. Hidroliz olayı besleme suyunun sıcaklığının artması veya optimum pH 6 ila 8’nin altında veya üstünde hızlanır. Optimum pH aralığını muhafaza etmek için besleme suyunun pH’ı bu ünitelerde muhafaza edilmelidir. CA membranlar takriben 30o C gibi düşük sıcak sularda kullanılabilir. CA membranlar bakterilere karşı dayanıklı değildir (Öztürk, 2007).
CA membranların hazırlanması diğerlerine göre daha kolaydır. Bununla birlikte kimyasal stabilitesi de düşüktür yani diğerlerine göre daha dar bir pH aralığına toleranslıdır, biyo bozunurluğu yüksektir. Membran performansı polimer kaymasından dolayı zamanla azalır (Wagner, 2001). CA membranların avantajı ucuz
3.4.3.1.2. Selüloz tri asetat (CTA) membranlar
CA membranlar bakterilere karşı dayanıklı olmadığı halde CTA membranlar bakterilere karşı dayanıklıdırlar. CTA membranlar pH 4,5 ila 8 arasında kullanılır. Bu membranlar hidrofilik özelliğe sahiptir. CTA membranların kullanıldığı sularda klor önceden bertaraf edilmelidir. Bu tür işletmelerde kloru gidermek için ya aktif karbon ya da sodyum meta bisülfit kullanılır. Mümkünse kimyasal madde ilavesinden kaçınılır. Çünkü ilave edilen kimyasal maddeler membranlar üzerinde bakteri büyümesine katkıda bulunur. Piyasada en fazla kullanılan membranlardan biridir.
3.4.3.1.3. İnce film kompozit (TFC) membranlar
İnce film kompozit (TFC) membranlar, klora veya diğer oksidanlara maruz kaldıklarında bozunurlar. TFC membranlar mikrobiyolojik etkiye karşı dayanıklıdır. Yüksek pH’larda (9’dan daha büyük değerlerde) kullanılabilir. Bu membranlar pH 4 ila 11 arasında ve 45o C gibi yüksek sıcaklıklarda hidrolize uğramadan en iyi şekilde çalıştırılabilir. TFC membranlar pahalı oldukları halde çok kuvvetli ve kararlıdırlar. Yüksek miktarda çözünmüş maddeleri reddetme meylindedir ( >% 99). 1500- 2000 mg/lt toplam çözünmüş katı madde içeren suları TFC membranlarla arıtmak mümkündür. TFC membranlar, klorlu sularda hızlı bir şekilde bozulur. Eğer ön filtrasyonla (aktif karbon gibi) klor giderilirse daha sağlıklı olarak kullanılır. Bir işletmede fazla miktarda arıtılmış suya ihtiyaç varsa TFC membranların kullanılması tavsiye edilir. TFC membranlar, genel olarak CTA membranlardan daha uzun ömürlüdür.
3.4.3.1.4. Sülfanatlı polisülfon (SPS) membranlar
Sülfanatlı polisülfan (SPS)’dan yapılmış membranlar, klora karşı toleransı daha yüksek (CTA gibi) ve daha yüksek pH seviyelerinde (TFC’e benzer) kullanılabilir. Fakat CTA kadar düşük maliyetli ve performansı TFC’nin performansı kadar yüksek değildir. SPS membranlar hidrofobik özelliğe sahiptir. Eğer besleme suyunun sertliği düşük, pH yüksek veya nitrat (NO3-) konsantrasyonu yüksekse ters osmoz
kaliteli su ihtiyacı olan gıda ve içecek sanayinde geniş olarak kullanılmaktadır. SPS membranlar yağ, gres, katı yağlar ve polar solventli sulara karşı toleranslı değildir.
3.4.3.1.5. Poliamid (PA) membranlar
Poliamid (PA) membranlar, pH 4- 11 arasında çalışabilir. Çalışma sıcaklığı 4- 35o C’dır. Bakterilerden olumsuz etkilenmezler. Dolayısıyla atık suların arıtılmasında kullanılabilir. Serbest klordan olumsuz olarak etkilenir. Serbest kloru gidermek için başta aktif karbon olmak üzere çeşitli kimyasallar kullanılabilir. Poliamid membranlar hidrofilik özelliğe sahiptir (Öztürk, 2007).
PA membranların avantajı kimyasal ve termal kararlılığının iyi olmasıdır. Dezavantajı ise klora karşı hassastır (Hasar, 2001).
Atık sulardaki amonyak maddesi pH ayarlaması ile iyonik faza dönüştürülebilir. Özellikle katı atık depolama tesislerinde oluşan sızıntı sularında çok yüksek miktarda amonyak bulunur.
Piyasalarda en fazla kullanılan membranlar CTA, PA ve TFC’dir. CTA membranlar, sadece 5 µm sediment ön filtrasyonu kullanmak şartı ile atık su arıtımında kullanılabilir (Öztürk, 2007).
3.4.3.2. İnorganik membranlar
İnorganik membranlar önceden hazırlanmış gözenekli destek üzerinde ince tozların preslenmesi ve kristalleştirilmesiyle oluşturulur. Özellikle ince ve dar gözenek boyut dağılımlı bir membran yüzeyi üretilecekse, bu çok pahalı bir işlem gerektirir. Bu nedenle bu membranlar ekonomik değildir (Hasar, 2001).
İnorganik membranlar oldukça yüksek kimyasal ve ısıl stabiliteleri nedeniyle önem kazanmaktadır. Bunlar cam, metal ve seramik materyallerden yapılabilmektedir. Mükemmel dayanıklılıkla birlikte daha uzun ömürlü olmaları özellikle daha sert prosesler için inorganik membranları polimerik membranlara göre daha elverişli kılmaktadır. Diğer yandan inorganik membranlar genellikle polimerik
oksitten yapılırlar. Tipik olarak seramik membranlar, Al, Zr, Ti’un carbid, nitrit ve oksitleridir (www.kimyaevi.org).
İnorganik membranlar mikrogözenekli veya gözeneksiz (yoğun) olabilirler. Mikrogözenekli inorganik membranlar amorf ve kristalin seramik membranları içermektedir. Yoğun inorganik membranlar polikristalin seramik veya metalden imal edilirler. Mikrogözenekli membranlar daima, gözenekli bir inorganik destek üzerine desteklenmiş ince bir film olarak hazırlanırlar. Bazı yoğun metalik membranlar da bu şekilde hazırlanabilirler. Seramik membranlar, çözücü direnci ve ısıl kararlılığın gerekli olduğu UF ve MF uygulamalarında; yoğun metal membranlar ise, özellikle paladyum membranlar, gaz karışımından hidrojenin ayrılmasında tercih edilmektedir (Salt ve Dinçer, 2006).
3.4.4. Akış yönüne göre filtrasyon çeşitleri
3.4.4.1. Son (dead-end) veya sıralı (in-line) filtrasyon
Son veya sıralı filtrasyon yönteminde akış membran yüzeyine diktir. Ayrılması istenen katı veya bileşikler membran üzerinde birikirken filtre edilen süzüntü diğer tarafa geçer. Bu filtrasyon yöntemindeki enerji kaybı çapraz akış filtrasyonundan daha azdır. Akış membran yüzeyine dik olduğu için membran üzerinde filtre kek oluşur. Buda akış hızının zamanla azalmasına yol açar. Oluşan bu kek filtrenin daha çabuk tıkanmasına neden olur (Cardew ve Le, 1998).
F: Besleme akımı, M: Membran, P: Membrandan geçen akım Şekil 3.13: Son(dead-end) veya sıralı(in-line) filtrasyon (Cardew ve Le, 1998)
3.4.4.2. Çapraz akış (cross-flow) filtrasyonu
Çapraz akış filtrasyonu, askıda ya da çözünmüş maddelerin molekül ağırlıklarına ve molekül büyüklüklerine göre ayrılmasını sağlayan bir teknolojidir. Dışarıdan uygulanan basınç sayesinde membran bir elek vazifesi görür. Çapraz akış filtrasyonunda akış membran yüzeyine paraleldir. Akış paralel olduğu için membran üzerinde filtre kek oluşmaz. Bu nedenle akış zamanında azalma olmaz ve membran üzerinde oluşan tabaka devamlı yüzeyden sıyrılarak membranın geçirgenliği arttırılmış olur (Cardew ve Le, 1998).
F:Besleme akımı, M:Membran, P:Membrandan geçen akım, R:Membrandan geçmeyen akım Şekil 3.14: Çapraz akışlı (cross-flow) filtrasyon (Cardew ve Le, 1998)
3.4.5. Morfolojilerine göre filtrasyon çeşitleri
Membranlar simetrik ve asimetrik olarak sınıflandırılabilirler. Bu iki membran tipi arasındaki fark asimetrik membranlarda gözenek boyutu gradienti olmasıdır. Yani üst tabakadaki gözenekler alt tabakadakilerle karşılaştırıldığında farklı boyutta olabilir. Üst tabakanın tamamen gözeneksiz olması veya farklı malzemeden yapılmış olması da mümkündür. Eğer farklı malzeme kullanılmışsa bu durumda kompozit membran olarak adlandırılır (www.kimyaevi.org). Membranın simetrik veya asimetrik olması membranın her iki yüzeyindeki fonksiyonel grupların aynı ya da farklı olmasına göre değişmektedir. Başka bir deyişle, poroz membranın her iki tarafına farklı grup bağlanırsa asimetrik membran, aynı grup bağlanırsa simetrik membran elde edilir (Osada ve Nakagava, 1992).
Şekil 3.15: Simetrik ve asimetrik membran filtrasyon çeşitleri (Salt ve Dinçer, 2006)
3.4.5.1. Simetrik membranlar
Poroz membranın her iki tarafına aynı grup bağlanırsa simetrik membran elde edilir. Simetrik membranlarda gözenekler ya uzun kanallar formunda ya da sünger yapıda olabilir. Bu membranlar tamamen gözeneksiz de (ör: homojen filmler) olabilir. Bununla birlikte membranların kesitinde yapısal bir farklılık yoktur (EPA, 2005). Mikrogözenekli ve homojen (yoğun) olmak üzere 2 çeşidi bulunmaktadır.
3.4.5.1.1. Mikrogözenekli membranlar
Mikrogözenekli bir membran yapısal ve fonksiyonel olarak geleneksel filtrelere benzer. Bununla beraber 0,01- 10 µm çap aralığındaki küçük gözenek boyutlarıyla filtrelerden ayrılırlar (Salt ve Dinçer, 2006). Elde ediliş yöntemlerine bağlı olarak farklı mikrogözenekli yapılar mevcuttur. Bunlar arasında en ilgi çekici olanları sinterlenmiş membranlar, gerdirilmiş membranlar, kapiler gözenekli membranlar ve faz dönüşüm membranlarıdır (Pinto ve diğ., 1999). En büyük gözenekten daha büyük olan parçacıklar membrandan geçemezler. En büyük gözenekten daha küçük ve en küçük gözenekten daha büyük parçacıklar membrandan kısmen geçerler. En küçük gözenekten daha küçük olanlar ise membrandan tamamen geçerler. Sonuç olarak, mikrogözenekli bir membrandan çözünen maddelerin ayrılması moleküler boyut ve gözenek boyut dağılımının bir fonksiyonudur (Salt ve Dinçer, 2006).
3.4.5.1.2. Homojen (yoğun) membranlar
Homojen membranlar yoğun membranlar olarak da tanımlanmaktadır. Bu tip membranlar boyunca taşınım sadece difüzyon değil aynı zamanda kimyasal türlerin membran içindeki çözünürlükleriyle de ilgilidir. Geçirgenliği belirleyen parametreler membranın kimyasal doğası, membranın tipi ve kalınlığına bağlıdır (Pinto ve diğ., 1999). Yoğun membranlar, permeantların basınç, derişim veya elektriksel potansiyel fark gibi itici kuvvet altında difüzyonla taşındığı yoğun bir filmden oluşur. Karışımı oluşturan bileşenlerin ayrılması membran içindeki difüzivite ve çözünürlükleriyle belirlenen göreceli geçiş hızlarıyla ilişkilidir. Birçok gaz ayırma, pervaporasyon ve ters osmoz membranı yoğun membrandır. Yoğun membranlar, film hazırlama için kullanılan yöntemlerden herhangi biriyle hazırlanabilir. Bunlar; eriyik ekstrüzyonu, basınçla kalıplama ve çözelti dökümüdür. Çoğunlukla polimer çözeltisinin cam tabaka veya sıvı yüzeyi üzerine yayıldıktan sonra çözücünün buharlaştırılmasıyla elde edilirler. Bu membranların makroskobik tipi düz bir film şeklinde, ince duvarlı ama geniş çaplı tüp şeklinde olabilir (Fried, 2003).
3.4.5.2. Asimetrik membranlar
Ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon membranları asimetrik yapıya sahiptir. Asimetrik membranlarda porların tıkanması nadiren görülmekle birlikte membran yüzeyinde bir fouling tabakasının meydana gelmesi oldukça bilinen bir durumdur. Tipik olarak asimetrik membranın kalınlığı 150 mikrondur. Bunun yaklaşık 95 mikronu destek tabakası, 50 mikron ise membrandır (Cardew ve Le, 1998).
Asimetrik terimi membran yapısının çapraz kesitinde önemli değişimler olduğunu göstermektedir. İntegral asimetrik ve kompozit asimetrik membran olmak üzere iki tür hazırlanabilir (Salt ve Dinçer, 2006).
3.4.5.2.1. İntegral asimetrik membranlar
İntegral asimetrik membran faz dönüşüm yöntemiyle hazırlanır. Bir membranda taşınım hızı membran kalınlığıyla ters orantılıdır. Ekonomik nedenlerden dolayı
Geleneksel film imalat teknolojisi ile yaklaşık 20 µm kalınlığa kadar mekanik açıdan güçlü ve hatasız film üretimi gerçekleştirilebilir.
3.4.5.2.2. Kompozit asimetrik membranlar
Kompozit membranlar 2 veya 3 tabaka halinde dizayn edilirler. Bu membranlar çok ince bir üst tabakadan (skin) ve bunu destekleyen daha kalın ve poroz bir alt tabakadan oluşur. Membranın ana fonksiyonu bu skin tabakada görülür. Bu tabakanın kalınlığı 0,1- 0,5 µm’dir. Skin tabaka poroz destek tabakanın % 1’i kadardır. Bu poroz alt tabaka kütle transferine önemsiz bir direnç gösterir ve ana görevi skin tabakaya destektir. Kompozit membranlar en az 80o C’de işletilir ve alçak basınç altında yüksek sıcaklıklara kadar dayanabilir (Wagner, 2001).
Çok daha ince bir film tabakası kullanabilmek için hazırlanan kompozit asimetrik membranlar çok daha kalın gözenekli bir yapıyla desteklenmiş son derece ince bir yüzey tabakasından oluşur. Yüzey tabakası ve alt destek yapısı tek bir işlemle veya ayrı olarak gerçekleştirilebilir. Kompozit bir membranda tabakalar genellikle farklı polimerlerden yapılır. Ayırma özellikleri ve permeasyon hızları yüzey tabakasında belirlenir. Alt tabaka mekanik destek işlevi görür. Hemen hemen bütün ticari proseslerde bu tip membranlar kullanılır (Salt ve Dinçer, 2006). Bu tip membranlar, ince yoğun bir tabaka ve kalın bir makrogözenekli substrat üreten faz dönüşüm yöntemiyle hazırlanabilir. Asimetrik membranların faz dönüşümü prensibine göre hazırlanabileceği dört yöntem vardır; kuru, yaş, ısıl ve polimer katkılı yöntemler. Bu yöntemlerin tümü ortalama derişimdeki polimer çözeltisinin faz ayrımını içerir. Ortam, polimerin sürekli fazı ve çözücünün ise bir araya toplanarak küçük kümeler oluşturduğu jel biçimindedir. Bu küçük kümelerden çözücünün uzaklaştırılması asimetrik membranın makrogözenekli yapısını oluşturan boşluklar meydana getirir. Faz dönüşümü; membran çözeltisinin termodinamik olarak kararsız hale gelmesine ve sonuçta faz ayrımına gitmesine neden olan, ya su gibi çözücü olmayan bileşenin hareketi, ya da sıcaklık değişimiyle (ısıl katkı) sağlanır (Fried, 2003).
3.5. Arıtmada kullanılan membran konfigurasyonu
Su arıtımında halihazırda dört membran konfigurasyonu kullanılmaktadır. Bunlar, tubuler, hollow fine fiber, spiral wound ve plate/frame’dir.
3.5.1. Tubuler (borulu) model
Tubuler modeller uzun süredir bilinmektedir. Dizaynı basit ve kolaydır. Üniversitelerde araştırma amacı ile tubuler modeller kullanılmaktadır. Çünkü bu modellerle Reynold sayısını hesaplamak ve kütle transfer sabitleri hakkında teori kurmak kolaydır. Seramik, karbon veya plastikten üretilmiş gözenekli tüplerin iç çapları 3,2 mm ile 2,5 cm arasında değişir. Gözenekli tüpün iç tarafı membranla kaplanmıştır (Öztürk, 2007). Basınçlı besleme suyu, membrandan veya membran film iç tarafından girip gözenekli tüp arasından çıkarak arıtılmış su elde edilir (Hill, 2003). Tubuler modeller, türbulanslı şartlarda çalıştırıldığı için zamanla kirlenmeye karşı bir dereceye kadar dayanıklıdır. Membran üretimi yüksek maliyetli olduğu için büyük hacimli su arıtma tesislerinde kullanılmaz. Fakat küçük kapasiteli endüstride kullanılabilir. Tubuler elemanlar birim hacim başına küçük membran alanına sahiptir (Şekil 3.16.).
Şekil 3.16: Tubuler (borulu) model (Öztürk, 2007)
Tubuler modeller askıda katı maddeler için toleranslıdır. Bu modellerin en büyük dezavantajı, çok yer gerektirir. Membranların değişimi oldukça zor ve zaman alabilir. Büyük kapasiteliler çok enerji tüketir. Geniş iç hacminden dolayı temizlemek zor ve
